(57)【要約】【課題】青波長帯域のS偏光を透過、P偏光を反射、赤波長帯域のS偏光を反射、P偏光を透過させる波長選択性のある偏光分離素子を得ること。【解決手段】S偏光に対して第一波長帯域の透過率が高く、第一波長帯域と異なる第二波長帯域の透過率が低く、且つP偏光に対して第一波長帯域の透過率が低く、第一波長帯域と異なる第二波長帯域の透過率が高い光学特性を有し、第一波長帯域と第二波長帯域はそれぞれ青、赤波長帯域とおよそ一致し、第一波長帯域および第二波長帯域は、共に30ｎｍ以上の帯域幅があり、かつS偏光とP偏光の透過率の差が60％以上の帯域が含まれていること。【選択図】図１
2006047904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
等方性層の屈折率と複屈折率層の常光線の屈折率または異常光線の屈折率のいずれかが一致する複屈折層と、等方性層を交互に積層した多層構造を含み、S偏光に対して第一波長帯域の透過率が高く、第一波長帯域と異なる第二波長帯域の透過率が低く、且つP偏光に対して第一波長帯域の透過率が低く、第一波長帯域と異なる第二波長帯域の透過率が高い光学特性を有し、第一波長帯域と第二波長帯域は青または赤波長帯域とおよそ一致し、第一波長帯域および第二波長帯域は、共に30ｎｍ以上の帯域幅があり、かつS偏光とP偏光の透過率の差が60％以上の帯域が含まれていることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
P偏光に対する透過率が使用波長帯域全域において高く、S偏光に対する透過率が第一波長帯域において高く、第二波長帯域において低い光学特性を有する第一多層構造と、S偏光に対する透過率が使用波長帯域全域において高く、P偏光に対する透過率が第一波長帯域において低く、第二波長帯域において高い光学特性を有する第二多層構造を有することを特徴とする請求項１の偏光分離素子。
【請求項３】
等方性層の屈折率と複屈折率層の常光線の屈折率または異常光線の屈折率のいずれかが一致する複屈折層と、等方性層を交互に積層した多層構造を2つ,互いの異方性軸を90°ずらして配置したことを特徴とする請求項１又は２の偏光分離素子。
【請求項４】
等方性薄膜を積層した多層膜構造と、等方性層の屈折率と複屈折率層の常光線の屈折率または異常光線の屈折率のいずれかが一致する複屈折層と等方性層を交互に積層した多層構造を有することを特徴とする請求項１,又は２の偏光分離素子。
【請求項５】
前記偏光分離素子は、多層構造に入射する光線の入射角度がおよそ15°以内の角度範囲において偏光分離することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の偏光分離素子。
【請求項６】
前記偏光分離素子は、多層構造に入射する光線の入射角度がおよそ10°以内の角度範囲において偏光分離することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の偏光分離素子。
【請求項７】
複数の反射型液晶表示素子と、
複数の色光でそれぞれ対応する前記複数の反射型液晶表示素子を照明し、該複数の反射型液晶表示素子からの複数の色光を合成して投射する光学系とを有する投影装置であって、
前記光学系が請求項１乃至６いずれかに記載の偏光分離素子を用いて、前記複数の反射型液晶表示素子からの前記複数の色光を合成することを特徴とする投影装置。
【請求項８】
光源手段と、無偏光の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、波長帯域により光を反射と透過に分離するダイクロイックミラーと、偏光状態により光を反射と透過に分離する偏光ビームスプリッタと、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光分離素子と、信号に合わせて偏光方向を変調する光変調素子と、偏光の方向を90°回転する1/2波長板と、該光変調素子により変調された光を合成する偏光ビームスプリッタと、合成された光を投影する投影レンズと、を有することを特徴とする投影装置。
【請求項９】
光源手段と、無偏光の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、波長帯域により光を反射と透過に分離するダイクロイックミラーと、偏光状態により光を反射と透過に分離する偏光ビームスプリッタと、請求項項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光分離素子と、信号に合わせて偏光方向を変調する光変調素子と、該光変調素子により変調された光を合成するダイクロイックプリズムと、合成された光を投影する投影レンズと、を有することを特徴とする投影装置。
【請求項１０】
光源手段と、無偏光の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、波長帯域により光を反射と透過に分離するダイクロイックミラーと、偏光状態により光を反射と透過に分離する偏光ビームスプリッタと、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光分離素子と、信号に合わせて偏光方向を変調する光変調素子と、該光変調素子により変調された光を合成するダイクロイックプリズムと、該光源手段側へのもれ光、又は／及び戻り光を遮断する偏光子と、直線偏光を円偏光に回転する1/4波長板と、合成された光を投影する投影レンズと、を有することを特徴とする投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光分離素子及びそれを有する投影装置に関する。
【０００２】
例えば、S偏光に対して第一波長帯域を透過、第一波長帯域と異なる第二波長帯域を反射、且つP偏光に対して第一波長帯域を反射、第二波長帯域を透過させる波長選択性の偏光分離素子に関し、特に液晶による反射型光変調素子を用いた投影装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００３】
従来より、偏光分離素子としては、2つのプリズムに挟まれた屈折率が高い誘電体薄膜より成るH層と低いL層を交互に多数積層した誘電体多層膜により、偏光分離するプリズム型の偏光ビームスプリッタ（PBS）がよく知られている。
【０００４】
この誘電体多層膜は、入射するP偏光を透過、S偏光を反射させる光学特性を有する。この偏光分離素子の原理はP偏光については入射角度がプリズムの材料の屈折率nP、H層の屈折率nH、L層の屈折率nLの関係がブリュ−スター角θBとおよそ一致することによりP偏光は透過する。S偏光についてはH層とL層の界面における反射を用い、多層膜干渉により反射する。
【０００５】
このPBSの特性は、入射角度、使用波長の変化による材料の分散により、最適なブリュースター角の条件や干渉の条件から外れると、特性が悪化する。特にブリュ−スター角の条件は各定数に対して敏感であるため、S偏光と比較すると、P偏光のほうが悪化しやすい。
【０００６】
画像投影装置（投射装置）に用いられる光学系においては、光源から放射される光束の分布が一定の角度範囲を有する場合が多く、使用波長も可視光帯域全域と広いため、一般的に偏光分離膜の層数の追加や膜厚の修正により使用角度範囲、使用波長帯域において良好な特性となるように設計されている。
【０００７】
一方、屈折率が高い誘電体薄膜より成るH層と低いL層を交互に積層した誘電体多層膜によるダイクロイックミラーもよく知られている。
【０００８】
このダイクロイックミラーもH層とL層の界面における反射による多層膜干渉を用いて、特定波長帯域を透過または反射させる光学特性を有する。
【０００９】
この光学素子は、一般的に光束が斜入射する状態で使用され、特定波長帯域を境に透過光と反射光に分離される。膜構成はハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ等の機能を実現する多くの構成が知られており、特に赤、緑、青の各色の波長帯域をそれぞれ分離するには長波長透過フィルタ、緑波長バンドパスフィルタ、短波長透過フィルタを用いている。
【００１０】
ダイクロイックミラーは設計された入射角度、偏光により最適なフィルタ作用をする条件から外れると、光学特性が悪化する。入射角度を変化させると薄膜材料の光学アドミタンスが変化し、P偏光に対する透過帯域が広がり（反射帯域が狭くなり）、S偏光に対する透過帯域が狭くなる（反射帯域が広がる）。
【００１１】
この結果、透過帯域から反射帯域へシフトする遷移波長がP偏光とS偏光に対して逆方向に変化する。
【００１２】
このため、一般的に偏光分離膜の層数の追加や膜厚の修正により使用角度の範囲を広げたり、P偏光とS偏光の偏光依存が小さくなるように設計する。
【００１３】
これらのPBSやダイクロイックミラーを用いて画像投影装置用の色分解合成手段が構成される。図9に従来の液晶より成る反射型の光変調素子を用いた画像投影装置の一例を示す。
【００１４】
矢印は白表示（画像情報が白色）における青色（およそ波長430-490nm）、緑色（およそ波長500-580nm）、赤色（およそ波長580-650nm）のそれぞれの光線の光路を示している。
【００１５】
実線がS偏光、破線がP偏光である。光源51から発光し、偏光変換素子52により偏光がS偏光にそろえられた白色光はダイクロイックミラー53aにより緑波長帯域の光線30を透過、赤波長帯域の光線40、青波長帯域の光線20を反射させる。ダイクロイックミラー53aにより透過された緑波長帯域の光線30はPBS54aを反射し、緑用液晶による反射型の光変調素子55gに入射し、変調される。
【００１６】
白表示の場合、変調された光はP偏光31となって射出されるため、PBS54a,PBS54cを透過し、投射レンズ系57に入射し、投影される。
【００１７】
ダイクロイックミラー53aにより反射された青波長帯域の光線20は波長選択性位相子56bによりP偏光21に変換され、PBS54bを透過し、青用液晶による反射型の光変調素子55bに入射し、変調される。
【００１８】
白表示の場合、変調された光はS偏光20となって射出されるため、PBS54bを反射し、波長選択性位相子56rによりS偏光20のまま維持され、PBS54cを反射し、投射レンズ系57に入射し、投影される。
【００１９】
ダイクロイックミラー53aにより反射された赤波長帯域の光線40は波長選択性位相子56bによりS偏光40のまま維持され、PBS54bを反射し、赤用液晶による反射型の光変調素子55rに入射し、変調される。
【００２０】
白表示の場合、変調された光はP偏光41となって射出されるため、PBS54bを透過し、波長選択性位相子56rによりS偏光40に変換され、PBS54cを反射し、投射レンズ系57に入射し、投影される。
【００２１】
黒表示の場合はいずれの光も液晶変調素子55r,55g,55bにより入射と同じ偏光のまま射出されるため、各光学部材を介して同じ光路で再び光源51側に戻る。このような色分解合成手段により高精細な液晶による反射型光変調素子の利点を活かし、且つ小型な構成が可能となる。
【００２２】
図9のような小型な画像投影装置の色分解合成手段には波長選択性位相子56b,56rが必要不可欠である。この波長選択性位相子56b,56rは特許文献１に記載されているように複屈折を有する複数の延伸高分子フィルムである位相板をそれぞれ特定の角度で積層させるため、成膜法を用いた誘電体多層膜で形成された偏光ビームスプリッターやダイクロイックミラーと比較して、製作方法が難しく、高価な素子である。
【００２３】
また、図10に特許文献２に記載された波長選択性位相子を使用しない液晶投影装置の一例を示す。この実施例における色分解および合成の両方の機能を有する光学素子1105において、スリーエム社製の偏光分離フィルムの偏光分離波長帯域が異なる2枚のフィルム同士を光学異方性軸を直交させて積層した素子を用いた光学システムが記載されている。
【００２４】
スリーエム社製の偏光分離フィルムは特許文献３,４に記載されている延伸高分子フィルムである複屈折層と高分子フィルムである等方性層を等方性層の屈折率と複屈折率層の常光線の屈折率または異常光線の屈折率のいずれかが一致するように交互に積層した多層構造の積層フィルムより成る。この構造は、屈折率差のない方向に偏光した光は透過し、屈折率差のある方向に偏光した光は反射する偏光分離機能を有している。
【００２５】
偏光分離帯域が異なった2枚の偏光分離フィルムを光学異方性軸を90°傾けて張り合わせることにより色分解と合成の両方の機能を有する光学素子が可能となり、波長選択性位相子を使用しない色分解合成手段が実現できる。
【００２６】
また、特許文献５には、波長選択性位相子を使用しない液晶による反射型光変調素子を用いた投影装置が開示されている。同公報では、青波長帯域のP偏光を反射、S偏光を透過し、且つ緑と赤帯域のP偏光を透過、S偏光を反射する作用を有するPBSを用いた色分解色合成手段を開示している。しかし、このPBSについては機能のみが示されており、実際の実現方法に関しては開示されていない。
【特許文献１】特表平１１−５０４４４１号公報
【特許文献２】特許第０３４１８０９号
【特許文献３】米国特許第６６３５３３７号公報
【特許文献４】特許第３４４８６２６号
【特許文献５】特開平１１−１５３７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
特許文献２には、図10のような波長選択性位相子を使用しない液晶用の投影装置で用いられる色分解合成手段が記載されている。
【００２８】
色分解および合成の両方の機能を有する光学素子1105を構成するスリーエム社製の偏光分離フィルムの具体的な実現方法については開示されていない。また、色分解と合成の両方の機能を有する光学素子1105は青波長帯域と緑波長帯域を分離および合成している。この光学素子の透過帯域と反射帯域との間の遷移帯域の光は、青用反射型の光変調素子と緑用反射型の光変調素子の両方に入射、変調され、結果として色純度が低下する。また、通常の光源からの光は角度特性を有している。前記光学素子は多層膜と同様に入射角の変化による光学アドミッタンスが変化するため、透過帯域と反射帯域との間の遷移帯域がシフトする。隣合う青波長帯域と緑波長帯域では入射角度により透過、反射帯域が変化し、結果として色純度が低下する。
【００２９】
本発明は青波長帯域（または赤波長帯域）のS偏光を透過、P偏光を反射、赤波長帯域（青波長帯域）のS偏光を反射、P偏光を透過させる波長選択性の偏光分離素子の提供を目的とする。
【００３０】
また、この波長選択性の偏光分離素子を投影装置の色分解合成手段に用いることにより、部品点数が少なく、小型化且つ高性能な投影装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の偏光分離素子は、
◎２つの光学部材の間に狭持した偏光分離素子において、等方性層の屈折率と複屈折率層の常光線の屈折率または異常光線の屈折率のいずれかが一致する複屈折層と、等方性層を交互に積層した多層構造を含み、S偏光に対して第一波長帯域の透過率が高く、第一波長帯域と異なる第二波長帯域の透過率が低く、且つP偏光に対して第一波長帯域の透過率が低く、第一波長帯域と異なる第二波長帯域の透過率が高い光学特性を有し、第一波長帯域と第二波長帯域は青または赤波長帯域とおよそ一致し、第一波長帯域および第二波長帯域は、共に30ｎｍ以上の帯域幅があり、かつＳ偏光とＰ偏光の透過率の差が60％以上の帯域が含まれていることを特徴としている。
【００３２】
本発明の投影装置は、
◎複数の反射型液晶表示素子と、
複数の色光でそれぞれ対応する前記複数の反射型液晶表示素子を照明し、該複数の反射型液晶表示素子からの複数の色光を合成して投射する光学系とを有する投影装置であって、
前記光学系が請求項１乃至６いずれかに記載の偏光分離素子を用いて、前記複数の反射型液晶表示素子からの前記複数の色光を合成することを特徴としている。
【００３３】
◎光源手段と、無偏光の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、波長帯域により光を反射と透過に分離するダイクロイックミラーと、偏光状態により光を反射と透過に分離する偏光ビームスプリッタと、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光分離素子と、信号に合わせて偏光方向を変調する光変調素子と、偏光の方向を90°回転する1/2波長板と、該光変調素子により変調された光を合成する偏光ビームスプリッタと、合成された光を投影する投影レンズと、を有することを特徴としている。
【００３４】
◎光源手段と、無偏光の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、波長帯域により光を反射と透過に分離するダイクロイックミラーと、偏光状態により光を反射と透過に分離する偏光ビームスプリッタと、請求項項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光分離素子と、信号に合わせて偏光方向を変調する光変調素子と、該光変調素子により変調された光を合成するダイクロイックプリズムと、合成された光を投影する投影レンズと、を有することを特徴としている。
【００３５】
◎光源手段と、無偏光の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、波長帯域により光を反射と透過に分離するダイクロイックミラーと、偏光状態により光を反射と透過に分離する偏光ビームスプリッタと、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光分離素子と、信号に合わせて偏光方向を変調する光変調素子と、該光変調素子により変調された光を合成するダイクロイックプリズムと、該光源手段側へのもれ光、又は／及び戻り光を遮断する偏光子と、直線偏光を円偏光に回転する1/4波長板と、合成された光を投影する投影レンズと、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、青波長帯域のS偏光を透過、P偏光を反射、赤波長帯域のS偏光を反射、P偏光を透過させる波長選択性の偏光分離素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本実施例の偏光分離素子は、２つの光学部材の間に狭持した偏光分離素子であって、等方性層の屈折率と複屈折率層の常光線の屈折率または異常光線の屈折率のいずれかが一致する複屈折層と、等方性層を交互に積層した多層構造を含み、S偏光に対して第一波長帯域の透過率が高く、第一波長帯域と異なる第二波長帯域の透過率が低く、且つP偏光に対して第一波長帯域の透過率が低く、第一波長帯域と異なる第二波長帯域の透過率が高い光学特性を有し、第一波長帯域と第二波長帯域は青または赤波長帯域とおよそ一致し、第一波長帯域および第二波長帯域は共に３０ｎｍ以上（好ましくは５０ｎｍ以上）の帯域幅があり、かつその第一波長帯域および第二波長帯域の３０nm以上の帯域幅においては、S偏光とP偏光の透過率の差が６０％以上（好ましくは７５％以上）である
以下の実施例には、このような偏光分離素子を有する投影装置（画像表示装置）についても記載している。この投影装置においては、前述の偏光分離素子を反射型液晶パネルと対向した位置に配置することにより、装置全体の小型化や、部品点数の削減に対して大きな効果がある。勿論、本実施例の偏光分離素子は、投影装置に限らず、他の光学機器に用いても構わない。
【００３８】
本発明の実施例を以下で説明する。
【実施例１】
【００３９】
図1は本発明の波長選択性のある偏光分離素子（波長選択性偏光分離素子）の実施例１の要部断面図であり、基本動作（作用）を模式的に示している。波長選択性偏光分離素子1は、平行平板の光学部材14を挟んで入射側プリズム（光学部材）12と射出側プリズム（光学部材）13を接合して構成され、入射側プリズム12の入射面120および射出側プリズム13の射出面131に対して後述する構成の偏光分離フィルムより成る多層構造10および11が入射面120に対して45°傾いて配置されている。
【００４０】
多層構造10,11への光束の基本の入射角は45°である。波長選択性偏光分離素子1の基本動作は偏光、波長により特性が異なる。
【００４１】
S偏光の青波長帯域の光線20および赤波長帯域の光線40が入射する場合は図1(a)に示すように青波長帯域の光線20は多層構造10および11を透過して射出面131から射出し、赤波長帯域の光線40は多層構造10により反射して射出面121から射出する。
【００４２】
P偏光の青波長帯域の光線21および赤波長帯域の光線41が入射する場合は図1(b)に示すように青波長帯域の光線21は多層構造10を透過、多層構造11により反射、多層構造10を透過して射出面121から射出し、赤波長帯域の光線41は多層構造10および11を透過して射出面131から射出する。
【００４３】
この多層構造10および11は、延伸高分子フィルムである複屈折層と高分子フィルムである等方性層を等方性層の屈折率ｎと複屈折率層の常光線の屈折率ｎｏまたは異常光線の屈折率ｎｅのいずれかが実質的に一致（ｎ＝ｎｏ又はｎ＝ｎｅ）するように交互に積層した偏光分離フィルムにより実現している。ここで、ｎ≒ｎｏ又はｎ≒ｎｅであったとしても、差が０．１未満（好ましくは０．０３以内、さらに好ましくは０．０１以下）であれば、実質的に一致していると考えても構わない。
【００４４】
屈折率差のない方向に偏光した光は透過し、屈折率差のある方向に偏光した光はダイクロイックミラーの構成にして波長帯域により透過と反射を分離するように設計している。
【００４５】
多層構造10は偏光分離フィルムの屈折率差のない方向をP偏光の電界振動方向、屈折率差のある方向をS偏光の電界振動方向に配置し、多層構造11は偏光分離フィルムの屈折率差のない方向をS偏光の電界振動方向、屈折率差のある方向をP偏光の電界振動方向に配置する。
【００４６】
このように本実施例では等方性層の屈折率と複屈折率層の常光線の屈折率または異常光線の屈折率のいずれかが一致する複屈折層と、等方性層を交互に積層した多層構造を２つ,互いの異方性軸を90°ずらして配置している。
【００４７】
多層構造10および11の設計値をそれぞれ表1に示す。
【００４８】
光学部材12〜14（プリズム）はOHARA社商品名PBH56(波長550nmにおける屈折率1.85)であり、偏光分離フィルムを構成する高分子フィルムの材料には特許文献３,４等に詳細に記載されているポリエチレンナフタレート（L層、等方性層つまり複屈折性を持たない層）(PEN：n=1.64)、延伸高分子フィルム（H層、複屈折率層つまり複屈折性を有し常光と異常光に対する屈折率が異なる層）にはナフタリンジカルボン酸とテレフタル酸またはイソフタル酸の共ポリエステル(coPEN：ｎｏ=1.88,ｎｅ=1.64)を用いた。
【００４９】
表1のL,Hの数値はそれぞれの層の膜厚（実際の厚さ）である。21〜40層は1、2層のH層、L層の繰返し、43〜80層は41、42層のH層、L層の繰返し、83〜120層は81、82層のH層、L層の繰返しである。この多層構造10および11の屈折率差のある方向のシミュレーション結果をそれぞれ図2,図3に示す。
【００５０】
入射角度45±5°の一定の角度範囲に対して良好に機能することがわかる。屈折率のない方向は屈折率差が零であるので透過率は理論上1となる。
【００５１】
波長帯域については多層構造10と11の偏光分離帯域である青波長帯域と赤波長帯域を逆にしてもほぼ同等の光学特性を得ることが可能である。
【００５２】
また、多層構造10と多層構造11を逆に配置することも可能である。さらに、多層構造10と多層構造11間に配置されている光学部材14は必ずしも必要ではなく、除去しても問題はない。これらの点は以下の実施例においても同様である。
【実施例２】
【００５３】
実施例２の波長選択性偏光分離素子の構成は図１の実施例１と同様である。実施例２では多層構造10に誘電体多層膜構造を用いている。
【００５４】
実施例１では多層構造10および11をともに偏光分離フィルムを用いている。この多層構造10はP偏光入射においては可視光波長帯域全域の光線は透過し、S偏光入射においては青波長帯域の光線20は透過、赤波長帯域の光線40が反射する光学特性を有する。この多層構造10はダイクロイックミラーの動作と同等である。
【００５５】
P偏光については入射角度がプリズム12の材料の屈折率nP、H層の屈折率nH、L層の屈折率nLの関係が以下の式を満たすブリュ−スター角θBと同一又はおよそ一致することによりP偏光は透過する。
【００５６】
【数１】
2006047904.tif 000003
【００５７】
S偏光についてはH層とL層の界面における反射を用い、ダイクロイックミラーとして動作する。
【００５８】
これより、実施例２ではこの多層構造10を等方性誘電体多層膜により実現している。
【００５９】
表2に設計値を示す。光学部材（プリズム）１２〜１４はOHARA社商品名PBH56(波長550nmにおける屈折率1.85)である。H層はTiO2(波長550nmにおける屈折率2.32)、L1層はAl2O3(波長550nmにおける屈折率1.65)で、L2層はSiO2(波長550nmにおける屈折率1.49)である。
【００６０】
この多層構造10のS偏光およびP偏光のシミュレーション結果をそれぞれ図4,図5に示す。
【００６１】
入射角度45±5°の一定の角度範囲に対して良好に機能することがわかる。P偏光の高入射角側で透過率が減少しているが、減少している帯域は緑波長帯域であるため問題はない。
【００６２】
本実施例では、波長選択性偏光分離素子を、等方性薄膜を積層した多層膜構造10と、等方性層の屈折率と複屈折率層の常光線の屈折率または異常光線の屈折率のいずれかが一致する複屈折層と、等方性層を交互に積層した多層構造11より構成している。
【００６３】
以上の実施例１,２における波長選択性偏光分離素子は、多層構造に入射する光線の入射角度がおよそ15°以内の角度範囲において偏光分離すること、特に好ましくは光線の入射角度がおよそ10°以内の角度範囲において良好なる偏光分離をしている。
【００６４】
【表１】
2006047904.tif 000004
【００６５】
【表２】
2006047904.tif 000005
【実施例３】
【００６６】
図６は、本発明の実施例３の色分解色合成手段を用いた投射装置の要部概略図である。
【００６７】
図6は色分解色合成手段として、実施例１又は２と同様の青波長帯域のS偏光の光20を透過、P偏光の光21を反射、赤波長帯域のS偏光の光40を反射、P偏光の光41を透過する入射角45°で設計された波長選択性偏光分離素子１を用いている。
【００６８】
そして液晶による反射型の光変調素子55b,55g,55rを用いた投射レンズ系（投射光学系）57で液晶に基づく画像を投射する構成を示している。
【００６９】
図中、矢印は白表示（画像情報が白）における赤、緑、青色のそれぞれの光線の光路を示している。実線がS偏光、破線がP偏光である。
【００７０】
波長選択性偏光分離素子1は実施例1および2に示したものと同様の素子であり、それぞれの多層構造10および11は図では省略している。光源51から発光し、偏光変換素子52により偏光がS偏光にそろえられた白色光はダイクロイックミラー53aにより緑波長帯域の光線30を透過、赤波長帯域の光線40、青波長帯域の光線20を反射させる。ダイクロイックミラー53aを透過した緑波長帯域の光線30はPBS54aで反射し、緑用液晶による反射型光変調素子55gに入射し、光変調素子55gで変調される。
【００７１】
白表示（投射画像が白色のとき）の場合、光変調素子55gで変調された光はP偏光31となって射出されるため、2つのPBS54a,PBS54cを透過して投射レンズ系57に入射し、投影される。
【００７２】
一方,ダイクロイックミラー53aにより反射された青波長帯域の光線20は波長選択性偏光分離素子1を透過し、青用液晶による反射型の光変調素子55bに入射し、光変調素子55bで変調される。
【００７３】
白表示の場合、光変調素子55bで変調された光はP偏光21となって射出されるため、波長選択性偏光分離素子1を反射し、1/2波長板58によりS偏光20に変換され、PBS54cを反射し、投射レンズ系57に入射し、投影される。
【００７４】
ダイクロイックミラー53aにより反射された赤波長帯域の光線40は波長選択性偏光分離素子1を反射し、赤用液晶による反射型の光変調素子55rに入射し、光変調素子55rで変調される。
【００７５】
白表示の場合、光変調素子55rで変調された光はP偏光41となって射出されるため、波長選択性偏光分離素子1を透過し、1/2波長板58によりS偏光40に変換され、PBS54cを反射し、投射レンズ系57に入射し、投影される。
【００７６】
黒表示（投射画像が黒色のとき）の場合は、いずれの光も液晶変調素子55r,55g.55bにより入射と同じ偏光状態のまま射出されるため、各部材を介して同じ光路で再び光源51側に戻り、投射レンズ57には入射しない。1/2波長板58は波長依存性の小さいものが好ましい。
【００７７】
図9の従来の反射型の液晶パネルを用いた投影装置における色分解色合成手段のPBS54bを波長選択性偏光分離素子１に置き換えることによって2つの波長選択性位相子56b,56rを使う必要がなくなるため、構成が簡易化され且つ信頼性、耐久性の向上を実現した色分解合成手段の構成が可能となる。
【００７８】
この際、各光路に偏光板を配置し、光線の偏光の精度を上げることによりもれ光が除去できるため、コントラストの向上の点で有効である。
【００７９】
図6の液晶を用いた投影装置は一例であり、光学部品、色分解の波長帯域、光線方向等が図6と異なる場合も波長選択性偏光分離素子1によって投影装置が可能となる。
【００８０】
ただし、光源51からの光線は各々の角度で放射され角度特性を有するため、実施例1,2のような角度特性の良好な波長選択性偏光分離素子１を用いることにより、もれ光が少なくなり、光量、コントラスト向上の点で有効である。
【００８１】
また、実施例1では多層構造10および11に共に偏光分離フィルムを用いている。偏光分離フィルムは押出成形により製作され、且つ高分子フィルムの遅延による屈折率と膜厚の両方を制御している。
【００８２】
実施例2では多層構造10は誘電体多層膜構造を用いている。多層膜構造は蒸着、スパッタ等により薄膜の屈折率、膜厚の制御が可能であり、製作誤差が小さい。
【００８３】
一般的にダイクロイックミラーはサイドローブのリップルを抑制するために精密な膜厚制御を必要とする。ここではサイドローブのリップルは透過帯域の透過率が下がることになる。この透過率の低下はもれ光の発生となるため、明るさおよびコントラストが低下する。このリップルを十分に抑制することが必然である。黒表示の際の青波長帯域に発生するもれ光は液晶による反射型光変調素子55rに入射、反射し、多層構造10および11を透過して投射レンズ系57に射出されると、結果としてコントラストが低下する。
【００８４】
そこで多層構造10を多層膜にすると、膜厚制御によるリップルの抑制が可能となり、偏光フィルムで発生したもれ光が発生せず、結果としてコントラストが向上する。このため、実施例1に比べて実施例2のほうが高いコントラストが得易い。
【００８５】
また、各光学部材は光弾性定数の低いものを用いることが好ましい。光弾性定数が大きいと、プリズム固着による応力により複屈折が発生し、偏光状態が変化するためである。このため、実施例1,2では光弾性定数0.09×10-8cm2/N のOHARA社商品名PBH56のような低い光学部材を用いるのが好ましい。
【実施例４】
【００８６】
図７は、本発明の実施例４の投影装置の要部概略図である。実施例４は実施例３と同様に実施例１，２の波長選択性偏光分離素子と液晶による反射型の光変調素子を用いた投影装置である。図７において矢印は白表示における赤、緑、青色のそれぞれの光線の光路を示している。
【００８７】
実線がS偏光、破線がP偏光である。光源51から発光し、偏光変換素子52により偏光がS偏光にそろえられた白色光20,30,40はダイクロイックミラー53aにより緑波長帯域の光線30を透過、赤波長帯域の光線40、青波長帯域の光線20を反射させる。ダイクロイックミラー53aを透過した緑波長帯域の光線30はPBS54aで反射し、緑用の液晶による反射型の光変調素子55gに入射し、変調される。
【００８８】
白表示の場合、変調された光はP偏光31となって射出されるため、PBS54a,を透過し、ダイクロイックプリズム53ｂを透過し、投射レンズ系57に入射し、投影される。ダイクロイックプリズム53ｂは緑波長帯域のP偏光を透過、青、赤波長帯域のP偏光を反射させる多層膜をプリズムで挟み込んだ素子である。
【００８９】
ダイクロイックミラー53aにより反射された青波長帯域の光線20は波長選択性偏光分離素子1を透過し、青用の液晶による反射型の光変調素子55bに入射し、変調される。白表示の場合、変調された光はP偏光21となって射出されるため、波長選択性偏光分離素子1を反射し、ダイクロイックプリズム53ｂを反射し、投射レンズ系57に入射し、投影される。ダイクロイックミラー53aにより反射された赤波長帯域の光線40は波長選択性偏光分離素子1を反射し、赤用の液晶による反射型の光変調素子55rに入射し、変調される。白表示の場合、変調された光はP偏光41となって射出されるため、波長選択性偏光分離素子1を透過し、ダイクロイックプリズム53ｂを反射し、投射レンズ系57に入射し、投影される。黒表示の場合はいずれの光も液晶変調素子55r,55g.55bにより入射と同じ偏光のまま射出されるため、光学部材を介し同じ光路で再び光源51側に戻る。
【００９０】
実施例４では1/2波長板を用いていないため、全体の透過率が上がり、光量が増加する。図9の従来の反射型液晶パネルを用いた投影装置のPBS54bを波長選択性偏光分離素子1に置き換えることによって2つの波長選択性位相子56b,56rを使う必要がなくなる。これより、全体の透過率が上がり、投影する光量も上がる。
【００９１】
図７の色分解合成手段は一例であり、光学部品、色分解の波長帯域、光線方向等が図７と異なる場合も波長選択性偏光分離素子によって投影装置が可能となる。
【００９２】
特に、各素子間に偏光子を設けることにより特定偏光を遮断し、各素子からもれるもれ光が低減でき、コントラストに有効である。また、色分解合成系においては各プリズムは光弾性定数の低いものを用いることが好ましい。光弾性定数が大きいと、プリズム固着、熱による応力により複屈折が発生し、偏光状態が変化するためである。このため、光弾性定数0.09×10-8cm2/N のOHARA社商品名PBH56のような低い光学部材を用いる方が好ましい。
【実施例５】
【００９３】
図８は本発明の実施例５の投影装置の要部概略図である。
【００９４】
実施例５は実施例４の投影装置についてさらにコントラストを向上、フレアを低減したものである。
【００９５】
実施例５が実施例４と異なる点はPBS54aとダイクロイックプリズム53bとの間、波長選択性偏光分離素子1とダイクロイックプリズム53bとの間にS偏光を遮断する偏光子59を各々配置する。また、ダイクロイックプリズム53bと投射レンズ系57との間に1/4波長板60を設置する。
【００９６】
偏光子59によりPBS54aおよび波長選択性偏光分離素子1のもれ光が遮断されるため、コントラストが向上する。特に黒表示の際に各液晶による反射型光変調素子から反射されるS偏光がPBS54aおよび波長選択性偏光分離素子1からもれるもれ光が遮断できる。また、投射レンズ系57の各レンズは反射防止膜にも依存するが、若干の反射が存在し、戻り光として色分解合成手段に戻る。
【００９７】
図9の従来の色分解合成手段ではこの戻り光が液晶による光変調素子まで戻るため、フレアの原因となる。これに対して、本実施例では図8(a)のように1/4波長板60を射出した光が青、緑、赤色の波長帯域それぞれが円偏光22,32,42となり、投射レンズ57に入射し、投影される。投影レンズ57からの戻り光22,32,42は図8(b)に示すように、1/4波長板60を透過してS偏光20,30,40となる。ダイクロイックプリズム53bにより透過および反射し分解されるが、透過・反射のいずれでも偏光子59により遮断される。
【００９８】
このため、戻り光が液晶による光変調素子まで戻らないため、フレア低減が可能である。図8(a),(b)の色分解合成手段は一例であり、光学部品、色分解の波長帯域、光線方向等が図8と異なる場合も波長選択性偏光分離素子によって投影装置が可能となる。
【００９９】
また、色分解合成系手段においては各プリズムは光弾性定数の低いものを用いることが好ましい。光弾性定数が大きいと、プリズム固着、熱による応力により複屈折が発生し、偏光状態が変化するためである。このため、光弾性定数0.09×10-8cm2/N のOHARA社商品名PBH56のような低い光学部材を用いる方が好ましい。
【０１００】
以上のように各実施例の投影装置は、光源手段と、無偏光の光の偏光方向を揃える偏光変換手段と、波長帯域により光を分解合成する手段と、実施例１，２のいずれか１つの偏光分離素子による光の色分解および合成の両方の機能を有する光学手段と、偏光方向を変調する光変調手段と、合成された光を投影する投影手段を有している。
【０１０１】
以上のように、P偏光入射に対する透過率が可視光波長帯域全域において高く、且つS偏光入射に対する透過率が青波長帯域において高く、赤波長帯域おいて低い多層構造およびS偏光入射に対する透過率が可視光波長帯域全域において高く、且つP偏光入射に対する透過率が青波長帯域において低く、赤波長帯域において高い多層構造を積層することにより、S偏光入射に対して青波長帯域を透過、赤波長帯域を反射、且つP偏光入射に対して青波長帯域を反射、赤波長帯域を透過させる波長選択性のある偏光分離素子を実現することができる。
【０１０２】
これを用いることにより、部品点数が少なく、小型化且つ安価な液晶による反射型の光変調素子を用いた投影装置が実現する。
【０１０３】
尚、以上の各実施例において、H層、L層の各層の間に光学的作用を及ぼさない又は光学的作用の小さな層を設けても良い。
【０１０４】
例えば屈折率をｎ、厚さをｄとしたとき
ｎｄ≦２ｎｍ
程度の層を設けても良い。
【０１０５】
これら実施例３〜５の投影装置（画像表示装置）は、複数の反射型液晶表示素子（判者派多液晶パネル）と、複数の色光でそれぞれ対応する前記複数の反射型液晶表示素子を照明し、該複数の反射型液晶表示素子からの複数の色光を合成して投射する光学系とを有する画像表示装置であって、前記光学系が実施例１、２のいずれかに記載の偏光分離素子を用いて、光源からの光の色分離を行ったり及び／又は前記複数の反射型液晶表示素子からの前記複数の色光の色合成を行ったりしている。勿論この偏光分離素子が異なる役割を果たすように構成しても構わない。さらに、この偏光分離素子を他の光学機器に適用しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】実施例1および2の波長選択性偏光分離素子の基本動作を模式的に示した図である
【図２】実施例1の波長選択性偏光分離素子の偏光分離フィルムを用いた多層構造10の屈折率差のある方向のシミュレーション結果である。
【図３】実施例1の波長選択性偏光分離素子の偏光分離フィルムを用いた多層構造10の屈折率差のある方向のシミュレーション結果である。
【図４】実施例2の波長選択性偏光分離素子の多層膜構造を用いた多層構造10のS偏光に対するシミュレーション結果である。
【図５】実施例2の波長選択性偏光分離素子の多層膜構造を用いた多層構造10のP偏光に対するシミュレーション結果である。
【図６】実施例1および2の波長選択性偏光分離素子を用いた液晶による反射型光変調素子を用いた投影装置の実施例３を示す図である。
【図７】実施例1および2の波長選択性偏光分離素子を用いた液晶による反射型光変調素子を用いた投影装置の実施例４を示す図である。
【図８】実施例1および2の波長選択性偏光分離素子を用いた液晶による反射型光変調素子を用いた投影装置の実施例５を示す図である。
【図９】従来の液晶による反射型光変調素子を用いた液晶投影装置を示す図である。
【図１０】従来の波長選択性位相子を用いない液晶による反射型光変調素子を用いた液晶投影装置を示す図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１：波長選択性偏光分離素子
10,11：多層構造
12,13,14：光学部材
120：入射面
121,131：射出面
20：青波長帯域のS偏光光線
21：青波長帯域のP偏光光線
22：青波長帯域の円偏光光線
30：緑波長帯域のS偏光光線
31：緑波長帯域のP偏光光線
32：緑波長帯域の円偏光光線
40：赤波長帯域のS偏光光線
41：赤波長帯域のP偏光光線
42：赤波長帯域の円波長光線
51：光源
52：偏光変換素子
53a：ダイクロイックミラー（S偏光の青・赤波長帯域を反射、緑波長帯域を透過）
53b：ダイクロイックプリズム（P偏光の青・赤波長帯域を反射、緑波長帯域を透過）
54a,54b,54c：偏光ビームスプリッタ
55b,55g,55r：液晶による反射型光変調素子
56b,56r：波長選択性位相子
57：投射レンズ系
58：1/2波長板
60：1/4波長板
【図６】
2006047904.tif 000006
【図９】
2006047904.tif 000007
【図１】
2006047904.tif 000008
【図２】
2006047904.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006047904.tif 000012
【図７】
2006047904.tif 000013
【図８】
2006047904.tif 000014
【図１０】
2006047904.tif 000015